KR0181399B1

KR0181399B1 - 전압형 pwm 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR0181399B1
Application number: KR1019960053466A
Authority: KR
Inventors: 유준혁
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1999-05-15
Also published as: KR19980035189A

Abstract

본 발명은 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서 특히, 전압형 PWM 컨버터에 인가되는 교류 3상 전원 전압의 불평형을 전원 전압의 상태에 따라 보상해줌으로써 전원 전압의 역률을 개선할 수 있는 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치는 전류 관측 수단, 기준 부하 전압()과 실제의 부하 전압()의 차(-

Description

전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 방법

최근에는 공장 자동화 라인과 같이 로봇을 사용하여야 하는 경우 상기 로봇의 동작을 정밀 제어하기 위하여 다양한 모타가 사용되는데 이때, 상기의 모타는 위상(ω)이 120도씩 지연되어 있는 3상의 교류 전원 전압을 PWM(pulse width modulation) 방식으로 정류하여 직류 링크를 통해 일정한 직류 전압을 출력하는 장치이다.

따라서 상기의 전압형 PWM 컨버터의 출력에 부하를 연결하는 경우 상기 부하의 단위 역률 운전을 보장하는 양방향 전력 전달을 가능하게 하고 또한 고조파의 감쇄, 빠른 부하 전력 변동 보상 등의 특성을 지니고 있기 때문에 제철 산업이나 전동차 드라이브 시스템과 같은 고압 대용량 설비 시스템에서 부터 공작 기계용 스핀들 제어기 등과 같은 중 대용량 고성능 전동기 가변속 제어 시스템에 이르기까지 산업계의 여러 분야에서 직류 전압 공급원으로 널리 사용되고 있는 장치이다.

이러한 종래의 전압형 PWM 컨버터는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 교류 3상 입력 전원단(1,1',1''), 상기 교류 3상 입력 전원단(1,1',1'')의 각각에 접속되는 입력 라인 전류 제어용 교류 접속 인덕터(2,2',2''), PI 제어기(5)에서 각각의 베이스단에 인가되는 전류에 의해 상기의 교류 3상 입력 전원단(1,1'1'')과 전류 루프를 형성하는 6 브릿지 전력 스위치(3), 전해 콘덴서로 형성되는 직류 링크(4) 및 상기의 직류 링크(4)에서 형성되는 직류 전압에 따라 6 브릿지 전력 스위치(3)에 제어 전류를 인가하는 PI 제어기(5)로 구성된다.

따라서 종래의 PWM 컨버터 장치는 교류 3상 전원(1)에서 인가되는 전압이 접속 인덕터(2, 2', 2'')에 인가됨으로써 상기 접속 인덕터(2, 2', 2'')는 입력 라인 상전류()를 발생시킨다.

이때, PI 제어기(5)는 기준 직류 전압()과 직류 링크(4)에 형성되는 전압()과의 차(-)에 전압 비례 제어 이득(Kvp)과 전압 적분 제어 이득(Kvi/s)의 합을 곱하여 구한, 기준 동기 좌표계 상에서의 입력 라인 상전류의 d축 성분()에 대한 기준 입력 전류()와 기준 동기 좌표계 상에서의 입력 라인 상전류의q축 성분()에 대한 기준 입력 전류() 및 전원 전압()를 이용하여 기준 동기 좌표계 상에서의 제어 입력 전압의 d축 성분()와 기준 동기 좌표계 상에서의 제어 입력 전압의 q축 성분()를 생성함으로써 실제의 직류 링크 전압이 기준 직류 전압(Vdc)에 정확하게 일치하도록 전류 제어 전압을 발생시킨다.

여기서 기준 동기 좌표계 상에서의 제어 입력 전압의 d축 성분()과 기준 동기 좌표계 상에서의 제어 입력 전압의 q축 성분()은 입력 라인 전류 제어용 교류 접속 인덕터(2,2',2'')가 6 브릿지 전력 스위치(3)와 연결되어 형성하는 3개의 노드(a, b, c)에 걸리는 각각의 전압( Va, Vb, Vc)을 d-q 좌표계상의 d 성분과 q 성분을 의미한다.

그리고 PI 제어기(5)에서 발생된 전류 제어 전압은 PWM 변조된 다음 6 브릿지 전력 스위치(3)에 포함되어 있는 6개의 트랜지스터들 중 2개의 트랜지스터의 베이스단에 인가됨으로써 전력 스위치(3)와 교류 3상 입력 전원단(1) 및 교류 접속 인덕터(2,2',2'')가 루프를 형성함으로써 직류 링크(4)는 직류 링크 전압을 형성하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 전압형 PWM 컨버터의 PI 제어기의 전류제어 알고리즘은 위상이 120도씩 지연되어 있는 평형의 3상 교류 전원 전압 즉,를 이용하는 것이지만 실제의 전원단에서 인가되는 3상 교류 전원 전압은 불평형이기 때문에 PI 제어 알고리즘을 사용하는 경우에도 역률이 떨어지고 불필요한 고조파 성분이 발생하여 전압형 PWM 컨버터의 성능이 떨어지게되는 문제점이 발생하였다.

따라서 불평형의 3상 교류 전원 전압이 전압형 PWM 컨버터에 미치는 영향을 감소시키기 위하여 상기의 전압형 PWM 컨버터에 포함되는 출력 필터의 용량을 크게하는 것이 제안되고 있으나 이 경우에는 전압형 PWM 컨버터의 부피가 대형화되고 또한 전압형 PWM 컨버터 시스템 전체의 시정수가 커짐으로써 상기 시스템의 응답 속도를 느리게하는 문제점이 발생하였다.

또한 불평형의 3상 교류 전원 전압이 전압형 PWM 컨버터에 미치는 영향을 감소시키기 위해서 상기의 전압형 PWM 컨버터에 포함되는 피드백 제어 루프에 의한 제어 속도를 빠르게 함으로써 고조파 성분의 발생을 줄이는 것이 제안되고 있으나 이경우에는 PWM 스위칭 주파수가 커지는 것이 요구되기 때문에 전압형 PWM 컨버터의 용량을 감소시키게 되는 문제점이 발생되었다.

그리고 불평형의 3상 교류 전원 전압이 전압형 PWM 컨버터에 미치는 영향을 감소시키기 위하여 전압형 PWM 컨버터에 인가되는 전압이 불평형인 경우 그에 상응하는 크기 만큼 전류값을 정확하게 제어함으로써 불평형 전원 전압 조건하에서도 시스템을 안정화시키는 방법이 제안되고 있으나 이 방법은 abc 정지좌표계에서 불평형 3상을 다루기 때문에 분석이 용이하지 않을 뿐만아니라 부가적인 하드웨어가 소요되는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 전압형 PWM 컨버터가 지니는 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상기의 전압형 PWM 컨버터에 인가되는 불평형 3 상 교류 전원 전압의 상전압의 동기 좌표계 상에서의 d축 성분의 변화에 따라 전압형 PWM 컨버터의 제어 전압을 가변시킴으로써 상기의 불평형 3 상 교류 전원 전압이 전압형 PWM 컨버터에 미치는 영향을 보상해 줄 수 있는 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 전압형 PWM 컨버터의 구성을 도시한 도면.

도 2는 종래의 전압형 PWM 컨버터의 제어 장치의 구성을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치의 구성을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

5; PI 제어기 10; 전류 제어 수단

11; 공간 벡터 PWM 수단 14; 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치는 전류 관측 수단, 기준 부하 전압()과 실제의 부하 전압()의 차(-)를 제어 이득으로 보정하는 전압 제어 수단, 교류 3상 전원의 선간 전압을 이용하여 역기전력 보상용 제어 전압을 연산하는 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단, 상기 전압 제어 수단과 상기의 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단의 출력을 이용하여 불평형 전원 전압 보상용 제어 전압 성분을 연산하는 전류 제어 수단 및 상기의 전류 제어 수단의 출력을 PWM하여 6 브릿지 전력 스위치 제어용 게이트 전압을 연산하는 공간 벡터 PWM 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 방법은 교류 3상 전원의 선간 전압(,,)을 이용하여 dq 동기 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 연산하는 단계(S1)와; 기준 직류 링크 전압()과 실제의 링크 전압()의 차(-)를 비례 제어 이득()과 적분 제어 이득()의 합으로 곱하는 단계(S2)와; 상기 단계(S2)의 출력값을 전류 관측 수단(8)의 출력과 합하여 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분()을 구하는 단계(S3)와; 상기의 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 d축 성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 q축 성분() 및 상기의 dq 회전 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 이용하여 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)를 연산하는 단계(S4); 및 공간 벡터 PWM 수단(11)에서 상기의 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)을 이용하여 6 브릿지 전력 스위치(3)의 제어 전압(,,)을 구하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 불평형 전원 전압의 선간 전압(,,)을 이용하여 abc 정지좌표계 상의 가상 전원 전압(,,)을 연산하여 상기의 abc 정지좌표계 상의 가상 전원 전압(,,)을 dq 회전 좌표계 상의 d축 성분()과 q축 성분()으로 변환한 값을 전류 제어 수단에 입력하면 상기의 전류 제어 수단은 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)을 연산하여 공간 벡터 PWM 수단에 인가한다.

그 다음 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)이 공간 벡터 PWM 수단에 의해 불평형 전원 전압 제어용 6 브릿지 전력 스위치의 게이트 전압 신호를 연산하여 출력함으로써 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치의 제어가 이루어지게 된다.

따라서 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단에서 불평형 교류 3상 전압 전원의 선간 전압(,,)을 이용하여 연산된, 가상 전원 전압(,,)의 dq 좌표계 상의 d축 성분()과 q축 성분()으로 다시 연산된 dq 회전 좌표계 가상 전원 전압(,)을 전류 제어 수단에 인가하고 또한 상기의 전류 제어 수단은 상기의와를 이용하여 6 브릿지 전력 스위치용 게이트 신호가 형성되기 때문에 교류 3상 전원 전압의 불평형 부분이 보상되어지게 됨으로써 전원 전압의 역률이 개선되고 또한 불필요한 고조파 성분의 발생을 억제할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

이하, 본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 제어 방법에 대한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 전류 관측 수단(8), 기준 부하 전압()과 실제의 부하 전압()의 차(-)를 제어 이득으로 보정하는 전압 제어 수단(7), 교류 3상 전원(1,1',1'')의 선간 전압을 이용하여 역기전력 보상용 제어 전압을 연산하는 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단(14), 상기 전압 제어 수단(7)과 상기의 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단(14)의 출력을 이용하여 불평형 전원 전압 보상용 제어 전압 성분을 연산하는 전류 제어 수단(10) 및 상기의 전류 제어 수단(10)의 출력을 PWM하여 6 브릿지 전력 스위치 제어용 게이트 전압을 연산하는 공간 벡터 PWM 수단(11)을 포함한다.

또한 본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 방법은 교류 3상 전원의 선간 전압(,,)을 이용하여 dq 동기 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 연산하는 단계(S1)와; 기준 직류 링크 전압()과 실제의 링크 전압()의 차(-)를 비례 제어 이득()과 적분 제어 이득()의 합으로 곱하는 단계(S2)와; 상기 단계(S2)의 출력값을 전류 관측 수단(8)의 출력과 합하여 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분()을 구하는 단계(S3)와; 상기의 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 d축 성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 q축 성분() 및 상기의 dq 동기 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 이용하여 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)를 연산하는 단계(S4); 및 공간 벡터 PWM 수단(11)에서 상기의 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)을 이용하여 6 브릿지 전력 스위치(3)의 제어 전압(,,)을 구하는 단계(S5)를 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 일실시예의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

평형 3상 전원 조건하에서 전원 전압을 동기 좌표계로 표현하면 전원 측 d축 전압은 일정한 크기를 갖는 직류값 ''로 표시되고 또한 q축 전압은 0으로 표시된다.

그리고 전원 전압이 불평형인 경우에는 전원 측의 역기전력으로 표시될 수 있는 동기 좌표계상의 전원 전압 ''가 시간에 따라 변화하고 이때, 전원측 상전압의 합은 0이되지 않지만 전원측 선간 전압의 합은 0이된다.

즉,++ 0

++= 0

따라서 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단(14)은 아래의 식에 의해 상기와 같은 선간 전압(,,)으로 dq 정지좌표계 상의 전원 전압(,,)를 구한다.

=(2--) =

=(-) =

=(++)0

그 다음 상기의 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단(14)은 dq 정지좌표계 상의 가상 전원 전압,,을 아래의 식에 의해 연산한다.

=(2--)

=(-)

=(++)

여기서,,는 아래의 식에 의해 연산된다.

=

= 및

=

그 다음 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단(14)은 전원측의 역기전력으로 간주할 수 있는 동기좌표계 전원 전압(,)을 아래의 식에 의해 연산하여 상기의와를 전류 제어 수단(10)에 인가한다.

=COS+SIN

= -SIN+COS

그리고 전류 제어 수단(10)은 전류 제어 수단은 상기의 상기의, 상기의,,및를 이용하여 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)을 연산하여 공간 벡터 PWM 수단에 인가한다.

본 발명의 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치 및 방법에 의해서 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단에서 불평형 교류 3상 전압 전원의 선간 전압(,,)을 이용하여 연산된, 가상 전원 전압(,,)의 dq 정지 좌표계 상의 d축 성분()과 q축 성분()으로 다시 연산된 dq 회전 좌표계 가상 전원 전압(,)을 전류 제어 수단에 인가하고 또한 상기의 전류 제어 수단은 상기의와를 이용하여 6 브릿지 전력 스위치용 게이트 신호가 형성되기 때문에 교류 3상 전원 전압의 불평형 부분이 보상되어지게 됨으로써 전원 전압의 역률이 개선되고 또한 불필요한 고조파 성분의 발생을 억제할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

Claims

전류 관측 수단, 기준 부하 전압()과 실제의 부하 전압()의 차(-)를 제어 이득으로 보정하는 전압 제어 수단, 교류 3상 전원의 선간 전압을 이용하여 역기전력 보상용 제어 전압을 연산하는 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단, 상기 전압 제어 수단과 상기의 역기전력 보상용 전원 전압 제어 수단의 출력을 이용하여 불평형 전원 전압 보상용 제어 전압 성분을 연산하는 전류 제어 수단 및 상기의 전류 제어 수단의 출력을 PWM하여 6 브릿지 전력 스위치 제어용 게이트 전압을 연산하는 공간 벡터 PWM 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 장치.
교류 3상 전원의 선간 전압(,,)을 이용하여 dq 동기 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 연산하는 단계(S1)와; 기준 직류 링크 전압()과 실제의 링크 전압()의 차(-)를 비례 제어 이득()과 적분 제어 이득()의 합으로 곱하는 단계(S2)와; 상기 단계(S2)의 출력값을 전류 관측 수단(8)의 출력과 합하여 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분()을 구하는 단계(S3)와; 상기의 dq 좌표계상의 d축 보정전류성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 d축 성분(), 실제의 부하 전류의 dq좌표계상의 q축 성분() 및 상기의 dq 동기 좌표계 상의 가상 전원 전압(,)을 이용하여 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)를 연산하는 단계(S4); 및 공간 벡터 PWM 수단(11)에서 상기의 공간 벡터 PWM 제어 입력(,)을 이용하여 6 브릿지 전력 스위치(3)의 제어 전압(,,)을 구하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 불평형 전원 전압 제어 방법.